脯氨酸羟化酶3在肿瘤中的作用研究进展▲

2023-08-22郑霜袁也金莹付坚

广西医学 2023年9期

郑霜袁也金莹付坚

(湖北医药学院附属人民医院1 超声影像中心,2 临床医学研究所,湖北省十堰市 442000)

【提要】脯氨酸羟化酶3(EGLN3)是脯氨酸羟化酶家族成员之一,其羟化酶活性受氧浓度的影响。研究发现EGLN3可调控肿瘤细胞增殖、凋亡、分化及能量代谢,对肿瘤血管生成、生长及转移具有重要的调控作用,与肿瘤的发生、发展、恶性程度及预后密切相关。本文就EGLN3在肿瘤发生、发展中的作用进行综述,旨在总结EGLN3发挥抑癌作用的机制,为临床治疗肿瘤提供参考。

脯氨酸羟化酶3(egl-9 family hypoxia inducible factor 3,EGLN3)又称PHD3、HPH1和SM20,属于秀丽隐杆线虫基因egl-9(EGLN)家族缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor,HIF)[1-2],依赖氧、α-酮戊二酸和Fe2+催化激活[3]。常氧条件下,EGLN3可羟基化HIF-1α,促进HIF-1α泛素化降解[4]。此外,EGLN3与交感神经细胞的凋亡、平滑肌细胞的分化[5]及小肠杯状细胞的形成[6]有关,且被认为是配对盒基因2的负性调节分子,参与调控活化转录因子4及丝裂原活化蛋白激酶6的蛋白稳定性[7],介导β2肾上腺素能受体的降解,并可羟基化细胞分裂周期样激酶2,对DNA造成损伤[8]。

目前,EGLN3被认为是一种抑癌基因[9-10]。研究发现,EGLN3可诱导肿瘤细胞凋亡,抑制肿瘤细胞增殖,其高表达与肿瘤的良好预后相关[11-14]。本文就EGLN3在肿瘤中的作用机制进行综述,为寻找肿瘤治疗的新的潜在靶点提供参考。

1 EGLN3对肿瘤细胞凋亡的调控作用

凋亡是由Caspase介导的程序性细胞死亡。目前细胞凋亡主要包括外源性途径(肿瘤坏死因子家族死亡受体途径)和内源性途径(线粒体依赖途径)[15]。EGLN3在细胞凋亡中的作用日益被关注,研究发现其在多种不同的细胞中通过不同机制发挥促凋亡作用。如去除神经生长因子诱导EGLN3表达后可通过调控驱动蛋白家族成员1β促进PC12细胞(大鼠肾上腺髓质嗜铬瘤分化细胞株)的凋亡[16-17];Jiang等[1]报告EGLN3过表达可通过激活Caspase-3诱导肝癌细胞凋亡。

1.1 EGLN3通过调控p53的表达促进肿瘤细胞凋亡 p53参与凋亡、衰老、DNA修复和细胞周期停滞等多种细胞反应,它的功能受翻译后修饰的严格调控,包括泛素化、乙酰化、磷酸化和羟基化[18-19]。鼠双微体2(mouse double minute 2,MDM2)被认为是p53蛋白水平及细胞定位的主要调节因子,对p53的稳定性及功能有重要作用。

Rodriguez等[19]研究发现EGLN3通过调控p53发挥抗增殖与促凋亡功能。EGLN3通过羟化p53的第359位脯氨酸,增强p53与去泛素化酶7和去泛素化酶10的相互作用,进而影响p53蛋白的稳定性。抑制EGLN3羟化酶的活性后去泛素化酶与p53结合作用减弱,p53的泛素化水平增强、蛋白表达水平降低。Xu等[8]研究表明,EGLN3通过阻断p53和MDM2的相互作用,从而抑制MDM2介导的p53泛素化降解,维持p53的稳定性,这一过程不依赖EGLN3羟化酶活性。

目前尚未明确EGLN3是否依赖其羟化酶活性来调控p53,以上研究所得的结论并不一致的原因可能是两个研究所用的实验细胞不同,而EGLN3调控p53具有细胞特异性。同时,p53的表达调控在转录、翻译,以及翻译后等多个水平上进行,EGLN3可能通过多个作用位点及相应机制调控p53。

1.2 EGLN3与抗凋亡蛋白B细胞淋巴瘤/白血病2的关系抗凋亡蛋白B细胞淋巴瘤/白血病2(B-cell lymphoma/leukemia 2,Bcl-2)可通过与Bcl-2相关X蛋白(Bcl-2 associated X protein,Bax)形成异二聚体抑制细胞凋亡[20]。Bcl-2包含四个BH(BH1、BH2、BH3、BH4)结构域,其中BH4结构域对Bcl-2的抗凋亡活性具有重要意义。有研究表明,EGLN3可与Bcl-2的BH4结构域相互作用,抑制Bax-Bcl-2复合物的形成,进而影响Bcl-2的抗凋亡作用,促进细胞凋亡[21]。

Chen等[22]的研究结果显示,肺癌组织中EGLN3的表达水平明显高于癌旁正常组织,且与非小细胞肺癌的分期及分化有关;EGLN3的表达水平与Bcl-2的表达水平呈负相关,EGLN3可能通过诱导非小细胞肺癌细胞凋亡来抑制肿瘤生长;EGLN3羟化酶活性被抑制后,其促凋亡作用减弱。但该研究未说明缺乏羟化酶活性的EGLN3是否可以抑制Bcl-2的抗凋亡作用。

1.3 EGLN3通过激活蛋白聚集诱导细胞凋亡内质网是真核细胞重要的膜性细胞器,控制蛋白质的加工、修饰、合成与分泌。当内质网稳态被破坏时,错误折叠蛋白聚集,引起内质网应激[23]。内质网应激早期通过激活未折叠蛋白反应以修复内质网功能,但当内质网应激持续时间太长或强度太高,会激活C/EBP同源蛋白、c-Jun氨基末端激酶及Caspase等通路,从而诱导细胞凋亡。

Rantanen等[24]研究发现,EGLN3通过诱导蛋白聚集体的形成,引起26S蛋白酶体、泛素化蛋白和伴侣蛋白等聚集,导致Hela细胞发生凋亡,该功能受氧分压的影响,而EGLN3促进蛋白聚集需要羟化酶活性,这表明在常氧条件下Hela细胞存在EGLN3的羟基化靶点。有研究显示EGLN3和伴侣蛋白T复合物蛋白环复合物之间存在相互作用[25],而T复合物蛋白环复合物是蛋白质聚集体的组成部分,但它是否参与EGLN3诱导的蛋白聚集尚未明确。

2 EGLN3对肿瘤细胞增殖的调控作用

细胞的异常增殖与肿瘤的发生、发展及预后关系密切。有研究表明EGLN3可通过β-连环蛋白/T细胞因子信号通路[26-27]、脂肪代谢等[28]多种机制抑制肿瘤细胞增殖,但也有文献报告缺氧所致的EGLN3高表达可促进肿瘤细胞生长[29]。

2.1 EGLN3通过调控表皮生长因子受体抑制肿瘤细胞增殖表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)属于酪氨酸激酶受体ERBB家族,在多种癌症中发现EGFR及其相关配体,包括表皮生长因子和转化生长因子α水平升高[30]。EGFR与其配体结合后,可以启动受体下游的信号传导通路,促进癌细胞的增殖,同时也可以通过配体-受体复合物的内吞作用内化EGFR,以抑制信号传导。此外,EGFR可能还是评估多种肿瘤预后的指标[31]。

Henze等[32]和Garvalov等[33]研究发现EGLN3是一种新的EGFR活性调节因子,其与胞吞调控蛋白表皮生长因子受体蛋白酪氨酸激酶底物15结合,促进EGFR的内化。在脑胶质母细胞瘤中,EGLN3的缺失可以抑制EGFR内化,激活EGFR信号传导,使其磷酸化增加,从而促进肿瘤细胞增殖。上述两项研究揭示了EGLN3的缺失激活了EGFR途径,导致低氧环境中肿瘤细胞的增殖。

2.2 EGLN3通过调控细胞周期进程抑制细胞增殖细胞周期蛋白依赖性激酶复合物介导视网膜母细胞瘤蛋白的高磷酸化是细胞周期G1期向S期转变的关键,是细胞周期正常进行的重要步骤[34]。机体缺氧后细胞周期和细胞增殖受到抑制,并使p21、p16、p27等细胞周期蛋白依赖性激酶的抑制剂表达上调。Högel等[35]研究发现,缺氧时EGLN3的表达增加,并通过降低p27的稳定性来维持癌细胞的生长,促进细胞周期的进展。特异性抑制EGLN3后p27 S10磷酸化增加,p27的降解被抑制,高磷酸化视网膜母细胞瘤蛋白的水平及细胞周期蛋白D1的表达水平降低,导致细胞周期阻滞于G1/S期,进而抑制细胞增殖。

2.3 EGLN3通过调控β-连环蛋白/T细胞因子信号通路抑制肿瘤细胞增殖 Wnt/β-连环蛋白信号通路的激活是胃癌的主要病因之一[36]。Wnt蛋白可促进β-连环蛋白释放和积累,并促进其转移到细胞核中与转录因子淋巴增强因子和T细胞因子相互作用,激活下游靶基因,促进癌症发生[37]。Cui等[26]发现EGLN3可以促进β-连环蛋白的泛素化,阻遏β-连环蛋白/T细胞因子信号传导,进而抑制胃癌细胞的生长。蓬乱蛋白2是β-连环蛋白/T细胞因子通路的核心分子,可促使β-连环蛋白与T细胞因子结合,启动下游靶基因的表达,从而引起肿瘤细胞增殖[38]。EGLN3可与蓬乱蛋白2相互作用,进而抑制信号传导,但EGLN3与蓬乱蛋白2之间存在直接作用还是间接作用尚未明确,并且该作用是否依赖EGLN3羟化酶活性仍有待研究。

2.4 EGLN3通过能量代谢途径调控肿瘤细胞增殖肿瘤细胞具有不同于正常细胞的能量代谢机制。研究表明脂肪酸氧化可促进多种肿瘤细胞的生长,而乙酰辅酶A羧化酶2是脂肪酸代谢的关键酶[39]。Rodriguez等[7]和German等[28]发现EGLN3可调节脂肪代谢。在急性粒细胞白血病等肿瘤细胞亚群中,EGLN3低表达可促进脂肪分解代谢,而过表达的EGLN3可通过羟基化乙酰辅酶A羧化酶2抑制脂肪酸氧化,阻碍白血病细胞的增殖,但EGLN3如何靶向调控乙酰辅酶A羧化酶2羟基化位点有待进一步阐明。

EGLN3也可调节糖代谢。EGLN3通过羟基化丙酮酸激酶M2(pyruvate kinase M2,PKM2)的第403位和第408位脯氨酸,使其与HIF-1α之间的相互作用增强,进而促进HIF-1α与缺氧反应元件的结合及协同转录激活因子p300向缺氧反应元件的募集,促进HIF-1α糖代谢相关靶基因的转录激活,加强了细胞的糖酵解[40]。上述文献提示EGLN3对HIF-1α转录活性的调控依赖PKM2,而PKM2受组蛋白去甲基化酶5(lysine demethylase 5,KDM5)调控。然而,近期Schoepflin等[29]报告,在缺氧状态下EGLN3不依赖PKM2-KDM5也可促进髓核细胞HIF-1的转录。另外,在肾癌中,EGLN3通过调节糖代谢关键酶的表达,诱导糖酵解和乳酸生成,还可增强核糖体蛋白翻译,调控细胞周期,进而促进肿瘤的进展,这与EGLN3在其他肿瘤中的抑癌作用机制不同,具体机制有待深入研究[41]。

3 EGLN3对血管生成及肿瘤转移的调控作用

新生血管形成是肿瘤的主要营养来源,也是肿瘤侵袭及转移的主要途径。在肿瘤发展过程中,血管系统逐渐无法满足快速增殖的肿瘤细胞,从而出现结构和功能的异常,导致组织中的氧气和营养物质供应不足[42]。而缺氧又引起各种适应性反应,包括肿瘤细胞代谢、生存、侵袭及血管生成。

3.1 EGLN3通过调控上皮-间质转化抑制肿瘤转移上皮-间质转化是指上皮细胞在某些特定情况下向间质细胞转化的现象[43]。在这一过程中,上皮细胞失去极性,细胞间黏附连接减少,迁移、运动能力增强,逐渐向间质细胞表型转化。上皮-间质转化是恶性肿瘤侵袭、转移的重要机制之一。

Dopeso等[44]研究表明,在肺癌微环境中,EGLN3参与缺氧信号传导及上皮-间质转化调节。转化生长因子β或EGLN3启动子甲基化可抑制EGLN3的表达,上调HIF表达,进而诱导转化生长因子α表达增加,激活EGFR-Smad信号传导,促进上皮-间质转化和肿瘤自发性转移。EGLN3的低表达与肿瘤的不良预后及对EGFR抑制剂的耐药有关[44]。以上研究结果表明EGLN3是上皮-间质转化、肿瘤转移及治疗抵抗的负性调节因子,明确了EGLN3在肿瘤转移和治疗中的关键作用。值得注意的是,EGLN3通过转化生长因子α介导的上皮-间质转化具有细胞特异性,在胶质瘤细胞、乳腺癌细胞及结直肠癌细胞等多种肿瘤细胞中未观察到上述现象。

3.2 EGLN3通过调控抗凋亡基因髓样细胞白血病1介导的三磷酸腺苷生成抑制肿瘤转移抗凋亡基因髓样细胞白血病1是Bcl-2家族抗凋亡蛋白,在维持线粒体正常生理和能量代谢方面发挥着重要作用[45]。Radhakrishnan等[46]报告人类结直肠癌组织中EGLN3的低表达与肿瘤高转移率和不良预后密切相关。敲除肿瘤细胞中的EGLN3基因后,髓样细胞白血病1在线粒体中表达增强,加速三磷酸腺苷的产生,促进细胞的迁移潜能和克隆形成能力。该研究揭示了EGLN3与髓样细胞白血病1之间的重要关系,并证实髓样细胞白血病1与肿瘤细胞缺氧感应通路和能量稳态之间的关系,但EGLN3与髓样细胞白血病1之间的具体作用机制如何,有待阐明。另外,该研究认为结直肠癌组织中EGLN3的表达与肿瘤分级、分期无明显相关性,此结论与Xue等[47]的研究结果相反,这可能与纳入群体的特殊性有关。在Radhakrishnan等[46]的研究中患者多为低位直肠癌,局部复发率相对较高。此外,还可能与上述两个研究中患者的肿瘤生物学特征不同有关,EGLN3与这些影响肿瘤复发的生物学特征之间具有不同程度的相关性。

3.3 EGLN3通过调控HIF抑制肿瘤转移及血管生成 HIF-1α是肿瘤细胞适应缺氧环境的关键调控因子,对肿瘤细胞的增殖、迁移及侵袭等特性发挥重要作用[48]。在常氧条件下,EGLN3羟基化HIF-1α 的第402位和第564位脯氨酸,羟化的HIF-1α与希佩尔-林道综合征肿瘤抑制蛋白结合,经泛素蛋白酶途径降解。在缺氧环境下,EGLN3酶活性降低,HIF-1α降解受阻,激活下游血管内皮生长因子等基因诱导肿瘤血管生成,助力肿瘤的生长和转移[49]。但有研究报告,胰腺癌中表达异常升高的EGLN3在缺氧微环境中依然可抑制HIF信号通路进而导致新生血管形成不良[50]。

在常氧条件下,EGLN3通过翻译后羟基化作用抑制HIF-2α蛋白表达。然而,在肾癌细胞中,沉默EGLN3基因表达后却导致HIF-2α蛋白表达水平及mRNA表达水平降低[51]。体外实验证明EGLN3可通过调节mRNA加工因子从而影响HIF-2α mRNA表达水平的稳定性。肾癌组织中异常高表达的EGLN3可以维持HIF-2α及血管内皮生长因子A、干细胞转录因子、葡萄糖转运体1及乳酸脱氢酶A等下游靶基因的稳定性,进而增加肾癌的糖酵解效应,促进肾癌的进展并增加其侵袭性[51]。此项研究亦表明,EGLN3在肾癌中发挥了促癌作用,与前述对肾癌的研究结果相似[41]。

目前,EGLN3对HIF-2α的调控如何,相关观点尚未统一。如在骨髓瘤细胞中,EGLN3过表达可以抑制HIF-2α的表达,并增强氧感知通路的稳定性,促进缺氧诱导的细胞凋亡[52]。但Jiang等[1]通过各种实验分析肝细胞癌组织和邻近正常肝组织中EGLN3与HIF-2α的蛋白质和mRNA表达水平,结果显示肝癌组织中HIF-2α与EGLN3的蛋白质和mRNA表达水平之间无明显相关性。这些研究结论存在差异的原因可能与细胞特异性及肿瘤微环境的不同有关,具体机制有待深入探索。

3.4 EGLN3通过血小板衍生生长因子调控肿瘤血管生成 Egners等[53]研究发现,小鼠骨肉瘤LM8细胞的EGLN3基因可以促进肿瘤生长,但对HIF-1α及其下游靶基因的表达并无影响,且免疫组织化学实验证明,敲除EGLN3基因可以使肿瘤组织血管密度、形态发生变化,形成大的、不规则形状且密度较低的血管。新生血管的这一表型变化是由血小板衍生生长因子C表达上调引起。血小板衍生生长因子C通过促进周细胞募集、内皮细胞迁移、内皮祖细胞动员等多种方式影响肿瘤进展。该研究表明抑制小鼠肺癌细胞(LLC细胞)的EGLN3后血小板衍生生长因子C表达并未上调,因此EGLN3与血小板衍生生长因子C通路之间的相互作用可能具有肿瘤类型特异性。